ZEMAX试验参考指导书初学的练习教程.doc

试验一 光学设计软件ZEMAX安装和基础操作
一、 试验目标
学习ZEMAX软件安装过程，熟悉ZEMAX软件界面组成及基础使用方法。
二、 试验要求
1、 掌握ZEMAX软件安装、开启和退出方法。
2、 掌握ZEMAX软件用户界面。
3、 掌握ZEMAX软件基础使用方法。
4、 学会使用ZEMAX帮助系统。
三、 试验内容
1．经过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX初始用户界面，以下图所表示：

图：ZEMAX用户界面
2．浏览各个菜单项内容，熟悉各常见功效、操作所在菜单，了解各常见菜单作用。
3．学会从主菜单编辑菜单下调出多种常见编辑窗口。
4．调用ZEMAX自带例子（根目录下Samples文件夹），学会打开常见分析功效项：草图（2D草图、3D草图、实体模型、渲染模型等）、特征曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传输函数等，学会由这些图进行简单成像质量分析。
5．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中参量。
6．掌握镜头数据编辑窗口作用和窗口中各个行列代表意思。
7．从主菜单-汇报下形成多种形式汇报。
8．经过主菜单-帮助下操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。

四、 试验仪器
PC机

试验二 基于ZEMAX简单透镜优化设计
一． 试验目标
学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。
二． 试验要求
1. 掌握新建透镜、插入新透镜方法；
2. 学会输入波长和镜片数据；
3. 学会生成光线像差（ray aberration）特征曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、产生图层和视场曲率图；
4. 学会确定镜片厚度求解方法和变量，学会定义边缘厚度解和视场角，进行简单优化。
三． 试验内容
（一）. 用BK7玻璃设计一个焦距为100mmF/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示上一个设计结果，同时新建一个新空白透镜。
2. 在主菜单-系统-光波长弹出对话框中输入3个覆盖可见光波段波长，设定主波长。一样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。
3. 在光阑面Glass列里输入BK7作为指定单透镜材料，并在像平面前插入一个新面作为单透镜出射面。
4. 输入相关各镜面厚度和曲率半径。
5. 生成光线像差特征曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时成像质量。
6. 利用Solve功效来求解镜片厚度，更新后观察各分析图对应改变。
7. 利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图对应改变。去掉

8. 调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图对应改变。
9. 分别调用点列图、OPD图和焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后成像质量。
10. 将此设计起名保留，生成汇报。

（二）. 以前一个试验内容设计优化后单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃透镜来构建双透镜系统，深入优化成像质量。
1. 插入新平面作为第二块透镜出射面，输入相关镜面厚度、曲率半径和玻璃类型值（BK7、SF1）。
2. 生成光线像差特征曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时成像质量。
3. 沿用前例优化函数，在优化更新后观察各分析图对应改变，并分别对比单透镜时点列图、OPD图和焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）对应改变，观察双透镜此时成像质量。
4. 利用利用Solve功效来求解镜片边缘厚度，更新后更新后观察各分析图对应改变。
5. 定义视场（系统-视场）来测试此双透镜离轴特征。
6. 将此设计起名保留，生成汇报。

四． 试验仪器
PC机

试验三 基于ZEMAX牛顿望远镜优化设计
一．试验目标
学会使用ZEMAX软件对经典牛顿望远镜进行优化设计。

二． 试验要求
1. 掌握设置反射镜、使坐标中止方法；
2. 学会使用圆锥常量来优化成像质量；
3. 学习点列图和3D图形分析像质简单方法。

三． 试验内容
利用ZEMAX软件来设计一个1000mm F/5牛顿望远镜，即一个曲率半径为mm镜面和一个200mm孔径。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示上一个设计结果，同时新建一个新空白透镜。
2. 在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关平面曲率半径、厚度和玻璃类型值。
3. 在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认波长和视场角值。
4. 生成光线像差特征曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时成像质量。
5. 生成标准点列图，并和艾利斑对比来进行像质简单分析。
6. 在像平面前插入一个新虚构面（未来放置反射镜），合理设置中止坐标值以取得光阑面和虚构面厚度，将两个厚度输入LDE中对应位置。
7. 从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置交叠曲面为2，确定。
8. 更新后观察此时各分析图，注意分析那些哪些
图已经不再起作用了。经过对应按键操作旋转缩放3D类分析图来观察成像质量。
9. 在光阑面（STO）前新添加一个圆形挡光面，设置合理面厚度和挡光半径。
10. 更新后重新观察此时3D类分析图，观察此时成像质量和效果。
11. 更名存盘后生成汇报。

四． 试验仪器
PC机

试验四 基于ZEMAX施密特-卡塞格林系统优化设计

一． 试验目标
学会使用ZEMAX软件对带有非球面矫正器施密特-卡塞格林系统进行优化设计。

二． 试验要求
1. 掌握使用多项式非球面方法；
2. 掌握遮拦、孔径相关知识；
3. 掌握OPD图和MTF分析像质简单方法。

三． 试验内容
设计一个带多项式非球面矫正器施密特-卡塞格林系统，要求10英寸孔径，10英寸后焦距（从主镜后面到焦点）。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示上一个设计结果，同时新建一个新空白透镜。
2. 从主菜单-系统-通用配置里设置孔径值和单位（英寸），一样在系统-光波长里设置覆盖可见光波段3个经典波长，设置主波长值。
3. 在光阑面后插入两个面，输入对应各面厚度、曲率半径和玻璃类型值。
4. 生成2D草图来观察此时光路和成像效果。
5. 新添加一个辅助镜面，合理设置各个平面新厚度、曲率半径值，并将第四面曲率半径设为变量，让ZEMAX自动求解。
6. 构建新优化函数，在优化后更新全部内容。
7. 生成OPD图，分析成像质量。
8. 将第一面（STO）表面类型改为“EVEN ASPHERE”方便为非球面矫正器指定多项式非球面系数。将该面“4th（6th、8th） Order Term”项分别设为变量。
9. 选择主菜单-工具-优化，优化后重新更新OPD图，分析此时成像质量。
10. 将第一面半径设为变量，再次优化，更新后生成OPD图，分析此时成像质量。
11. 从主菜单-系统-视场里将视场角个数设置为3，输入合适y角度，更新后对比观察此时OPD图。
12. 重新构建优化函数对此设计进行深入优化，更新后再观察此时OPD，分析成像质量。
13. 从主菜单-分析-调制传输函数-快速傅里叶变换生成MTF图，由图分析此时像质。
14. 返回LDE，双击第三面第一列，将Aperture标签中光圈类型改为“圆形光圈”，设置最小半径为1.7，最大半径为6，完成主反射面上缺口设计。
15. 在第三面前插入一个新面（此时原来第三面变位第四面），将新面（即现在第三面）厚度改为20。将第二面厚度由60改为40。
16. 将第三面第一列孔径类型改为圆形挡光，最大半径设为2.5。再将第三面半口径定为2.5。
17. 更新全部内容后重新观察MTF图和3D类型各分析图，分析此时成像质量。
18. 存盘后生成汇报。

四． 试验仪器
PC机

试验五 基于ZEMAX激光扩束镜优化设计

一． 试验目标
学会使用ZEMAX软件对多重结构配置激光束扩大器进行优化设计。

二． 试验要求
1. 掌握使用多重结构配置；
2. 深入学习构建优化函数。

三． 试验内容
设计一个激光扩束器，使用波长为1.053μm，输入光束直径为100mm，输出光束直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必需是伽利略式（没有内部焦点），在镜片之间间隔必需不超出250mm，只许使用1片非球面，系统必需在波长为0.6328μm时测试。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示上一个设计结果，同时新开一个新空白透镜。
2. 在像平面前插入4个面，输入相关各面厚度、曲率半径和玻璃类型值，以下表所表示：

3．在主菜单-系统里分别设置入瞳直径为100，波长为1.053微米。
4. 从主菜单-编辑-优化函数构建一个优化函数，在第一行将操作数类型改为REAY，为surf输入5，为Py输入1.00，target输入10，weight输入1。
5. 从评价函数编辑窗中选工具-默认优化函数。再选reset，将“开始在”值改为2，确定。
6. 从主菜单-工具中选择优化，优化完成后生成OPD图，分析此时像质。
7. 将第一面圆锥系数（conic）列设为变量。再次优化后，重新生成OPD图，分析此时像质。
8. 将三个曲率和圆锥系数变量状态去掉。（提议此时存档一次）
9. 从主菜单-系统中重新配置光波长，将之前1.053改为0.6328，确定后再次更新OPD图，分析此时像质。
10. 将第二面厚度250mm设为可变，然后工具-优化后，重新生成OPD图。此时去掉第二面可变状态。
11. 从主菜单-编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口编辑菜单中选“插入结构”来插入一个新结构配置，双击第一行第一列，从下拉框（操作数）中选wave，在一样对话框里为wavelength#选择1，确定。在config1下输入1.053，在config2下输入0.6328。
12. 按Insert为多重结构编辑器加入新一行，在新第“1”行第一列双击，然后选THIC为操作数类型。从surface列选2，确定。在config1下输入250，在config2下输入250。将config2下第二面厚度设为变量。
13. 回到优化函数编辑器。选工具-默认优化函数，在显示对话框中将“开始在”值改为1，确定。
14. 在结构配置1第一个OPDX行之前插入新一行，将新加这一行操作数类型改为REAY，为surf输入5，Py输入1，target输入10.结构配置2中不需要更改。
15. 回到LDE，将第1、2和4面曲率半径和第1面conic设为变量。重新工具-优化。
16．此时若双击多重结构config1列头，更新OPD图，得到相关1.053波长OPD图；若双击config2列头，则得到0.6328波长OPD图，分析像质。快捷键ctrl+A可用来在这两个配置之间快速切换。
17. 存盘后生成汇报。

四． 试验仪器
PC机

试验六 基于ZEMAX折叠反射镜面和坐标断点设计

一． 试验目标
更深入学习了解坐标断点和反射镜面应用。

二．试验要求
1．更深入了解坐标断点；
2. 掌握倾斜和偏心系统设置符号约定；
3. 更深入了解反射镜面应用。

三．试验内容
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示上一个设计结果，同时新开一个新空白透镜。
2. 在LDE第一面即STO面表面类型列上双击，从下拉菜单里选Paraxial，将STO面类型改为近轴镜片。STO厚度设为100，这是近轴镜片缺省焦距。
3. 在系统-通用配置中将入瞳直径设为20.
4. 生成3D草图，观察其光路和成像效果。
5. 在IMA面前插入3个新面，将第1面（STO面）厚度改为30，在第3面玻璃列输入MIRROR，第4面厚度改为-70.
6. 更新3D草图，对比观察其光路和成像效果。
7. 分别双击第2、4面表面类型列，将这些面改为坐标断点（coordinate break）。双击第4面Parameter3列（即Tilt about X列），在下拉列表中选择Pickup作为求解类型，设From Surface为2，Scales Factor为1，确定。在第2面Tilt about x列里输入45.
8. 更新全部内容后，重新生成3D草图，对比观察其光路和成像效果。
9. 在IMA面前再插入3个新面，将第4面厚度从-70改为-30，第6面玻璃改为MIRROR，第7面厚度改为40，再将第5第7面表面类型改为坐标断点，在第5面对X轴倾斜中输入-45，在第7面Tilt about x上双击，选择对其Pickup求解，求解是从第5面得到，百分比因子为1.
10. 更新3D草图，对比观察其光路和成像效果。
11. 存盘生成汇报。

四． 试验仪器
PC机

试验七 基于ZEMAX复杂光学系统优化设计
一． 试验目标
学会自主地在多重结构中将复杂嵌构式望远镜物镜进行优化设计并实现成像转向。

二．试验要求
1. 总结之前学过像质评价和优化方法，自主设计并优化此次试验整个系统；
2. 更深入掌握多重结构系统，学会构建并优化最少3重结构系统；
3.掌握在多重结构中对嵌入式Schmidt-Cassegrain进行优化设计；
4.掌握对构建优化函数设置中RINGS量设置；
5.掌握实现光线转向设计。

三．试验内容
1.总结之前试验中学到过像质评价和优化方法；
2.学会使用帮助文件（汉字手册）查找相关构建优化函数设置中RINGS参数设置方法；
3.完成对此次试验系统自主设计和优化。
设计要求：
设计一个内嵌Cassegrain结构Schmidt折反射式望远镜物镜，入瞳直径为10英寸，Schmidt结构长度为60英寸，后焦距为20英寸，其中透镜使用玻璃类型为BK7。整个系统要求能在486nm、587nm和656nm下（其中587nm为主波长）同时取得尽可能好优化效果。
具体指标：
（1）最大波像差：主波长不超出，次要波长不超出；（值越小越好）
（2）SPT中RMS和GEO RADIUS不能超出艾利斑弥散范围；（值越小越好）
（3）MTF曲线中中频段要平缓，主波长中频值MTF值不能低于0.27，两个次要波长中频值MTF不能低于0.24；（MTF值越大越好）
（4）最终出射光线脱离主系统所在光路及延长线上但最终和入射光线保持平行。
汇报要求：
任一重结构实体图（转角）；3个结构LDE图、MTF（在对应中频值处标上具体值）、SPT（查看百分比为艾利斑）和OPD图，并上传相关存档文件（文件名为学号）。